DE2544762A1

DE2544762A1 - Brennkraftmaschine mit unterteiltem brennraum

Info

Publication number: DE2544762A1
Application number: DE19752544762
Authority: DE
Inventors: Eugen W Prof Dr Ing Huber; Wolfgang Dr Ing Schaffitz; Nikolaus Dipl Ing Simon
Original assignee: Huber eugen W profdr-Ing
Current assignee: Huber eugen W profdr-Ing
Priority date: 1975-10-07
Filing date: 1975-10-07
Publication date: 1977-04-14

Description

Brennkraftmaschine mit unterteiltem Brennraum

Die Erfindung bezieht sich auf eine fremdgezündete Brennkraftmaschine mit Zylindern mit geteiltem Brennraum, bestehend aus dem Hauptraum über dem Kolben und einem Nebenraum .

Bekannte Brennkraftmaschinen mit geteiltem Brennraum verfolgen das Ziel einer Ladungsschichtung zur Verringerung der Schadstoffe im Abgas. Das Prinzip der Ladungsschichtung ist dadurch gekennzeichnet, daß ein gut entflammbares Gemisch nur in dem Bereich bereitgestellt wird, in dem die Verbrennung eingeleitet wird. Der Rest des Brennraumes wird mit einem Gemisch versorgt, dessen Luftverhältnis je nach der vom Motor gewünschten Arbeit eingestellt wird, wobei bei geringer Arbeit die Abmagerung nur so weit getrieben wird, daß ein sicherer Verbrennungsablauf gewährleistet ist. Voraussetzung für den Erfolg eines Schichtladungsverfahrens ist die Beherrschung einer stabilen Schichtung in einem weiten Drehzahl- und Lastbereich, was bei Motoren mit geteiltem Brennraum durch die Geometrie sowie durch besondere Gemischbildungsmaßnahmen erreicht werden kann. So wird das im Nebenraum zur Zündungseinleitung befindliche Kraftstoff-Luft-Gemisch kraftstoffreich gehalten, wodurch auch insgesamt magere Gemische aussetzerfrei verbrannt werden können.

Die zweistufige Verbrennung eines kraftstoffreichen Gemisches im Nebenraum und eines kraftstoffarmen Gemisches ±m Hauptraum führt insbesondere zu geringeren Stickoxidemissionen im

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Vergleich zu konventionellen Verfahren. Bekannte Brennkraftmaschinen für zweistufige Verbrennungsverfahren haben in der Regel Nebenraumgrößen von einem Zehntel bis einem Drittel des Verdichtungsvolumens und sind dadurch gekennzeichnet, daß im ganzen Betriebsbereich ein Teil des Kraftstoffes mit der Ansaugluft durch das Einlaßventil in den Hauptraum eingebracht wird und ein anderer Teil in den Nebenraum, entweder durch direkte Kraftstoffeinspritzung in diesen oder,bei äußerer Gemischbildung, durch ein zusätzliches im Nebenraum angeordnetes Einlaßventil, durch das Gemisch angesaugt wird.

Alle Brennkraftmaschinen mit bekannten zweistufigen Verbrennungsverfahren haben den Nachteil, daß trotz der vor allem bei Teilast erzielten Zwei-Stufen-Verbrennung eines insgesamt kraftstoffarmen Gemisches nur die Kohlenmonoxid- und Stickoxidanteile im Abgas niedrig gehalten werden können, daß aber gegenüber konventionellen Verfahren die Konzentration von unverbrannten Kohlenwasserstoffen im Abgas nicht wesentlich verringert wird. Dies macht auch bei diesen Verfahren eine Abgasnachbehandlung durch Nachverbrennung außerhalb des Motors notwendig.

Die Hauptursache für die Entstehung der unverbrannten Kohlenwasser stof fanteile im Abgas, sowohl konventioneller gemischansaugender, als auch bekannter mit zweistufiger Verbrennung arbeitenden Brennkraftmaschinen sind die Brennraumwände, an denen sich eine kühle Grenzschicht ausbildet, bei deren Erreichen die Flamme durchAbkühlung erlischt, wodurch die in · der Grenzschicht befindlichen Kraftstoffteile der inneren Verbrennung entzogen werden. Insbesondere bei insgesamt kraftstoffarmem Betrieb und verbrauchsgünstigen Zündzeitpunkten liegen die Abgastemperaturen zu niedrig, um nach seiner Ablösung von der Kammerwand den nicht oder nur unvollständig verbrannten Kraftstoff der Grenzschicht ohne spezielle Abgasnachbehandlung ausreichend aufzuoxidieren.

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Ein weiterer Nachteil besteht darin, daß besonders bei kleinen Nebenrauragrößen eine Zweistufigkeit der Gemischbildung und Verbrennung im Hinblick auf geringe Stickoxidentwicklung nur bei Teillast erreicht werden kann; bei höheren Lasten, also dann, wenn das gesamte Luft-Kraftstoff-Verhältnis des Motors sich dem stöchiometrischen nähert, befindet sich auch im Zylinderraum angenähert stöchiometrisches Luft-Kraftstoff-Verhältnis, und damit geht die stockoxidmindernde Wirkung der Zweitstufigkeit praktisch verloren.

Diese Nachteile werden durch die Erfindung dadurch beseitigt, daß Kraftstoff ausschließlich in den Nebenraum eingebracht wird, so daß in jedem Motorbetriebspunkt, insbesondere bei Teillast, das im Nebenraum befindliche Gemisch kraftstoffreich ist und die Verbrennung zweistufig abläuft. Die erste Stufe wird durch die Zündung und Verbrennung des kraftstoffreichen Gemisches im Nebenraum gebildet, die zweite Stufe durch die Verbrennung im Hauptraum, in den nach Einsetzen der Nebenraumverbrennung der teilweise verbrannte Inhalt des Nebenraumes einströmt.

Um im gesamten Lastbereich im Nebenraum mit Kraftstoffüberschuß arbeiten zu können, wird die vom Motor angesaugte Luftmenge und damit die im Nebenraum befindliche Luftmenge in bekannter Weise durch eine Drosselklappe im Saugrohr geregelt. Der Kraftstoff wird so in den Nebenraum eingebracht, daß ein Auftreffen des Strahles auf die Wand und ein Durchtreten von Kraftstoff in den Hauptraum vor Einleitung der Zündung vermieden wird. Hierzu wird der Kraftstoff in der Kompressionsphase zwischen 120 Grad Kurbelwinkel vor OT und dem OT eingeleitet und eine Einspritzdüse verwendet, die in bekannter Weise einen fein zerstäubten Strahl geringer Eindringtiefe erzeugt. Um erfindungsgemäß im gesamten Lastbereich des Motors mit Kraftstoffeinspritzung ausschließlich in den Neben-

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raum zu fahren, wird der Nebenraum zur Vermeidung von zu fettem Kraftstoff-Luft-Verhältnis in der ersten Verbrennungsstufe mit einem Volumen von mindestens der Hälfte des Kompressionsvolumens ausgeführt.

Dadurch daß erfindungsgemäß Kraftstoff ausschließlich in den Nebenraum eingebracht wird, läßt sich die in der Grenzschicht befindliche Kraftstoffmenge entscheidend verringern, dadurch, daß bei entsprechender Formgebung die Nebenraumwandf lache verhältnismäßig klein ist, daß die Temperatur der Nebenraumwand höher sein kann als die der Zylinderraumwände, daß die Nebenraumwand ohne Spalten ausgeführt werden kann und daß durch das Überschieben der Ladungsluft aus dem Hauptraum ein günstiger Turbulenzgrad erzielt werden kann.

Durch das relativ große Nebenraumvolumen wird erfindungsgemäß erreicht, daß auch bei voll geöffneter Drossel die zur Erzielung der vollen Motorleistung benötigte Kraftstoffmenge allein in den Nebenraum eingebracht werden kann, ohne daß es infolge zu großen KraftstoffüberSchusses zu Zündaussetzern oder zu Rußbildung kommt. Trotz des hohen KraftstoffÜberschusses im Nebenraum treten dort infolge kurzer Flammwege und günstiger Turbulenz ausreichend hohe Verbrennungsgeschwindigkeiten auf. Die Verbrennung im Hauptraum erfolgt nach Maßgabe des aus dem Nebenraum übergeschobenen teilverbrannten Gemisches und der dort stattfindenden Mischung mit Sauerstoff, weshalb im Hauptraum kein erst sehr spät von der Verbrennung erfaßter Gemischrest vorhanden sein kann, so daß bei einer nach dem erfindungsgemäßen Verfahren arbeitenden Brennkraftmaschine auch bei geringer Kraftstoff-Oktanzahl kein Klopfen auftritt.

Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist, daß durch die Verwendung eines anteilig großen Nebenraumes und der Kraftstoff —

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einspritzung allein in den Nebenraum im Gegensatz zu anderen bekannten zweistufigen Brennkraftmaschinen auch bei Vollast eine Zweistufigkeit hinsichtlich Gemischbildung und Verbrennung mit den günstigen Auswirkungen auf die Abgaszusammensetzung und hier vor allem auf die Stickoxidbildung gewährleistet bleibt.

Um rasch eine ausreichend hohe Temperatur der Nebenraumwände zur Begünstigung des Verhaltens bei Start- und Warmlaufvorgängen zu erreichen, sowie um die Wandwärmeverluste gering zu halten, wird eine Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine mit einem vom Kühlsystem des Zylinderkopfes getrennten Kühlsystem für die Nebenraumwände versehen, wodurch die Nebenraumwand-Temperatur getrennt geregelt werden kann.

Fig. 1 zeigt schematisch eine nach dem Erfindungsgedanken arbeitende Brennkraftmaschine. Der Gaswechsel erfolgt im 4-Taktverfahren über Einlaßventil (T) und Auslaßventil (5) . Verbunden mit dem durch den Kolben \3) begrenzten Hauptraum ist ein Nebenraum (T) , so daß der in der oberen Totlage des Kolbens gezeigte Kompressionsraum in 2 Teilräume aufgeteilt ist. Die hier gezeigte zentrale Anordnung des Nebenraumes wird besonders bei Motoren mit 4 Gaswechselventilen von Vorteil sein. Die Verbindungsquerschnitte zwischen Nebenraum (Ϊ) und Hauptraum 5 können nach Art der Blaslöcher bei Vorkammer-Dieselmotoren so angeordnet sein, daß eine rechtzeitige und vollständige Durchmischung der Luft im Hauptraum (δ) mit den aus dem Nebenraum (T) einströmenden Brenngasen bewirkt wird. Während des Kompressionshubs wird aus dem Hauptraum (§) Luft in die Nebenkammer übergeschoben. Die angesaugte Luftmenge wird durch eine Drosselklappe (β) , die vor dem Einlaßventil Q) angeordnet ist, lastabhängig geregelt. In dem Nebenraum \4) ist eine Zündkerze (jj eingebaut. Diese kann von üblicher Bauart

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sein und mit einer Zündanlage bekannter Bauart betrieben werden. Ferner ist im Nebenraum eine Einspritzdüse (δ) angeordnet. Diese kann von bekannter Bauart sein und spritzt den von der Einspritzpumpe (?) geförderten Kraftstoff während des Kompressionshubes direkt so in den Nebenraum (T) , daß vor der Zündung kein Kraftstoff in den Hauptraum gelangen kann. Die Einspritzpumpe (?) kann von bekannter Bauart mechanisch vom Motor angetrieben sein und in bekannter Weise Einrichtungen zur Dosierung der Kraftstoff-Fördermenge enthalten. Die eingespritzte Kraftstoffmenge wird dabei so der angesaugten Luftmenge angepaßt, daß im gesamten Lastbereich im Nebenraum kraftstoffreiches Gemisch entsteht, während bis zur Erreichung der vollen Öffnung der Drosselklappe (β) der Motor mit insgesamt kraftstoffarmem Gemisch betrieben wird. Erst mit Erreichen der vollen Drosselklappenöffnung wird zur weiteren Laststeigerung die in den Nebenraum eingespritzte Kraftstoffmenge so vergrößtert, daß bei Vollast· das gesamte Luft-Kraftstoff-Verhältnis des Motors angenähert stöchiometrisch wird. Die eingespritzte Kraftstoffmenge kann in bekannter Weise einfach dadurch angepaßt werden, daß ein im Saugrohr augeordneter Unterdruckfühler (ίθ) liefergradabhängig die Verstellung der von der Einspritzpumpe (?) geförderten Kraftstoffmenge übernimmt.

Fig. 2 zeigt eine weitere Ausgestaltung einer nach dem Erfindung sgedanken arbeitenden Brennkraftmaschine, wie sie insbesondere bei Motoren mit 2 Gaswechselventilen und am Zylinderrand liegendem Nebenraum zweckmäßig ist. Das Ausführungsbeispiel zeigt eine Nebenraumform, bei der die Verbindung des Nebenraumes (i) mit dem Hauptraum (δ) durch einen zur Zylinderachse geneigten Schußkanal verbunden ist, so daß nach Art der Wirbelkammer bei Dieselmotoren im Nebenraum eine rotierende Ladungsbewegung erzeugt wird und die aus

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dem Nebenraum QQ in den Hauptraum (5) eintretenden Brenngase rasch und vollständig mit der im Hauptraum befindlichen Luft durchmischt werden.

Fig. 3 zeigt schematisch über der Last die Gemischregelung einer nach der Erfindung gebauten Brennkraftmaschine. Im Teillastbereich von 0% bis etwa 70% Last arbeitet sie mit teilgeöffneter Drosselklappe, die mit steigender Last stetig weiter geöffnet wird. Demzufolge steigt der Liefergrad X_a ungefähr proportional der inneren Motorleistung an. Der Verlauf der ausschließlich in den Nebenraum eingespritzten Kraftstoffmenge Q_n steigt ebenfalls lastproportional an, so, daß bis etwa 70% der Volllast im Nebenraum kraftstoffreiches Gemisch mit X_n erzeugt wird, der Motor insgesamt jedoch mit Luftüberschuß X„_es betrieben wird. Nach Erreichen der vollen Drosselöffnung bleibt der Liefergrad angenähert konstant. Zur weiteren Laststeigerung wird die Kraftstoffmenge Q_n weiter erhöht, bis bei Erreichen von 100% Last das Gesamt-Luftverhältnis annähernd stöchiometrisch wird.

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JO

L e e r s e i t e

Claims

PATENTANSPRÜCHE

1. Fremdgezündete Brennkraftmaschine mit Zylindern mit geteiltem Brennraum, bestehend aus dem Hauptraum über dem Kolben und einem Nebenraum, dadurch gekennzeichnet, daß der Kraftstoff in jedem Motorbetriebspunkt ausschließlich in den Nebenraum eingebracht wird, daß das im Nebenraum befindliche Kraftstoff-Luft-Gemisch kraftstoff reich ist, daß die Verbrennung in zwei Stufen abläuft, wobei die erste Stufe durch die Zündung und Verbrennung des kraftstoffreichen Gemisches im Nebenraum gebildet ist, die zweite Stufe durch die Verbrennung im Hauptraum, in den nach Einsetzen der Nebenraumverbrennung der teilweise verbrannte Inhalt des Nebenraumes einströmt, daß der Kraftstoff in den Nebenraum mit einer Düse eingespritzt wird, daß die Kraftstoffeinspritzung während des Verdichtungshubes zwischen 120 Grad Kurbelwinkel vor dem Oberen Totpunkt und dem Oberen Totpunkt erfolgt und daß das Volumen des Nebenraumes mindestens die Hälfte des Kompressionsvolumens beträgt.

2. Fremdgezündete Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei teiloffenem Drosselorgan die eingespritzte Kraftstoffmenge der angesaugten Luftmenge so angepaßt ist, daß das Gesamt-Kraftstoff-Luft-Verhältnis überstöchxometrisch, also kraftstoffarm ist.

3. Fremdgezündete Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei vollgeöffnetem Drossel-

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organ für die angesaugte Luft zur weiteren Laststeigerung die in den Nebenraum eingespritzte Kraftstoffmenge weiter erhöht wird, bis das Kraftstoff-Luft-Verhältnis ungefähr stöchiometrisch ist.

4. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlsysteme des Zylinderkopfes und des Nebenraumes voneinander getrennt sind und das Kühlsystem des Nebenraumes unabhängig geregelt wird.

5. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, 2, 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß zur Drehmomenterhöhung im unteren Drehzahlbereich das Verfahren der verlängerten Dehnung angewendet wird.

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